碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述：碳纤维强度转换效率
摘 要
在2010年前后，隶属于美国能源部DOE（Department of Energe）的阿贡国家实验室、太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory, PNNL）等开展了高压储氢瓶系列研究工作，而且DOE为美国国内公司提供经费支持用于相关领域基础研究。
在本文中，主要结合PNNL实验室在碳纤维高压气瓶中的碳纤维强度转换效率领域研究工作进行介绍。
《宁波材料所新型高强高模碳纤维开发的高压储气瓶通过测试》
《碳纤维复合材料储氢气瓶发展及应用》
《详解国外碳纤维高压储气瓶的市场供需及生产链条》
《碳纤维高压储氢瓶的结构及成本分析》
《碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述：III型、IV型气瓶成本对比》
碳纤维强度转换效率
1、基本概念
在碳纤维材质高压储氢气瓶中存在碳纤维强度转换效率的概念，它是指在高压储氢气瓶结构应用中碳纤维实际强度与理论强度的比值。
众所周知，碳纤维受到外部张力时，如纤维受拉力方向与纤维轴向平行时，碳纤维的拉伸强度可以发挥最高水平，强度转换效率可以达到100%。
图1 高压气瓶的缠绕成型加工
由于高压气瓶是采用碳纤维缠绕工艺加工，在气瓶端部会产生弯曲卷绕，因此独特的加工工艺使得碳纤维强度转换效率很难达到100%。
依据美国Quantum公司研究数据表明，对于35MPa高压储气瓶转换效率为82.5%，而70MPa高压储气瓶的转换效率为80%。
如果可以有效提升转换效率，可以减少所需碳纤维用量，而且高压气瓶更加安全可靠，因此提升转换效率有着重要现实意义。
3、影响因素
影响碳纤维强度转换效率的因素较多，主要涉及碳纤维、树脂以及高压气瓶成型工艺等方面，如提高树脂基体性能、改善碳纤维与基体之间的浸润性、减少气瓶成型中螺旋交叉等均是提高转换效率的关键。
在提高转换效率研究方面，PNNL通过与东丽公司（美国CFA）合作，重点开展了碳纤维表面改性、颗粒增强树脂基体、纤维铺层等研究工作。
转换效率研究进展
PNNL国家实验室将承担项目分解为8个子课题，并与福特Ford、东丽Toray、AOC、Lincoln等公司合作，开展联合技术攻关，而且部分研究精力集中在提高转换效率领域。
图2 美国PNNL高压储气瓶项目任务分解
图3 提高转换效率的主要解决方案
4、表面改性技术
经过改性后碳纤维与乙烯基树脂基体界面结合强度最高超过12ksi，换算成公制单位约82MPa，满足了工艺使用要求。
图4 表面改性后碳纤维树脂基体结合强度
图5 改性后碳纤维与树脂界面结合状态
通过采用颗粒对树脂基体进行增强后，树脂基体拉伸强度获得显著提升。
图6 颗粒增强树脂界面状态及性能
篇尾语
碳纤维强度转换效率是影响高压储氢气瓶的一项关键指标，如果能够采取有效途径大幅提升转换效率，可在最少碳纤维用量情况下，获得最优产品性能，并有助于成本控制，因此碳纤维表面改性技术、树脂基体修饰技术是制备高压储氢气瓶重要关键技术组成。
“工业创新，材料先行。” 只有对原材料进行了深入了解，并解决了关键技术问题，才会有后续优良产品。碳纤维材质高压储氢瓶领域也一样，除了后续关键的缠绕工艺外，新型高强高模碳纤维研发、碳纤维表面改性技术、树脂基体修饰技术等均会影响最终产品性能，因此相关领域基础研究必不可少。